Микропроцессорные системы; архитектура, семейства

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ Старший преподаватель каф. КС Попова Надежда Владимировна Литература • Микропроцессоры: Учебное пособие для втузов. В 3 кн. Под ред. Преснухина Л.Н. –Минск: Высшая школа, 2006. • Токхайм Р. Микропроцессоры.М. : Энергоатомиздат, 2001 • Микропроцессоры семейства i8080A/8085: Системы программирования и отладки. Под ред. Меснякова В.А. –М.: Энергоатомиздат, 2006. • Погребинский М.П. Микропроцессорные системы управления электротехническими установками. – М.: МЭИ, 2003. Основные понятия • Микропроцессор (МП) - это функционально законченноепрограммно-управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС). • МП выполняет над информационными данными арифметические и логические операции и осуществляет программное управление вычислительным процессом. Основные понятия • Микропроцессорный комплект интегральных микросхем – совокупность микропроцессорных и других интегральных микросхем, совместимых по архитектуре, конструктивному исполнению и электрическим параметрам обеспечивающих возможность совместного применения. Основные понятия • Архитектура МП – функциональные возможности аппаратурных электронных средств МП, используемые для представления данных, машинных операций, описания алгоритмов и процессов вычислений. • Магистраль – совокупность соединительных линий и схем, обеспечивающих требуемые параметры передаваемых по линиям электрических сигналов, по которым информация передается от источника информации к приемнику. Основные понятия • Микропроцессорной системой (МП- системой) обычно называют специализированную информационную или управляющую систему, построенную на основе микропроцессорных средств. Основные понятия • Интерфейс – совокупность правил, устанавливающих единые принципы взаимодействия устройств в микропроцессорной системе. • В состав интерфейса входят аппаратурные средства соединения устройств (разъемы и связи), номенклатура и характер связей, программные средства, описывающие характер сигналов интерфейса, и их временную диаграмму, а также описание электрических параметров сигналов. Микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем • Современное устройство релейной защиты и автоматики (РЗА) представляет собой управляющую микропроцессорную систему, предназначенную для получения и обработки информации о состоянии электроэнергетических объектов, и выдачи управляющих и информационных сигналов для прекращения аварийных и аномальных режимов в электроэнергетических системах (ЭЭС). Микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем • В качестве входной информации используются следующие составляющие: • аналоговые сигналы, характеризующие контролируемые величины электроэнергетических систем (ЭЭС) токи ia , iв , iс , напряжения Uа , Uв , Uс , а также другие непрерывные аналоговые величины, пропорциональные характеристикам защищаемого объекта (температура, давление, освещенность и т.п.); Микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем • входная двоичная дискретная информация, такая как сигналы от коммутационных аппаратов, других устройств релейной защиты автоматики (РЗА) и от обслуживающего персонала; • цифровая информация от других устройств РЗА, характеризующая как текущие значения измеряемых величин, так и логические сигналы, полученные посредством цифровых коммуникационных интерфейсов; Микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем • управление уставками и параметрами устройств РЗА, осуществляемое обслуживающим персоналом или системами управления через коммуникационные интерфейсы. • Выходная информация микропроцессорных устройств РЗА может быть представлена следующим образом: • выходная дискретная двоичная информация; Микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем • цифровая информация к другим устройствам; • сообщения различных видов о состоянии защищаемого объекта, в том числе сигналы для визуального наблюдения измеряемых аналоговых величин в нормальном и аварийных режимах;. Основные сведения о микропроцессорах и микропроцессорных системах • Основные преимущества микропроцессорных средств заключены в их универсальности, высокой производительности и технологичности. • архитектуру микропроцессоров можно разделить на несколько классов: • простые однокристальные 4- и 8-разрядные контроллеры невысокой производительности для применения в бытовых приборах и небольших подсистемах; Основные сведения о микропроцессорах и микропроцессорных системах • быстродействующие секционные комплекты микропроцессорных БИС для создания систем произвольной разрядности, адаптируемых к алгоритмам обработки данных на микропрограммном уровне; • мощные однокристальные 16-и 32- и 64-разрядные микропроцессоры; Основные сведения о микропроцессорах и микропроцессорных системах • процессоры цифровой обработки сигналов, подключаемые к стандартным интерфейсам микропроцессорных систем для обработки арифметических алгоритмов, таких как быстрое преобразование Фурье; • аналоговые процессоры — устройства, включающие АЦП, ЦАП, устройства цифровой обработки и представляющиеся пользователю как системы с аналоговым входом и аналоговым выходом. Основные характеристики ◦ типы МП • Однокристальные МП с фиксированной разрядностью слова, с фиксированной системой команд и управляющим устройством со «схемной логикой». • Выполняются с использованием различных МОП технологий микроэлектроники позволяющие размещать на одном кристалле большое число элементарных схем. Основные характеристики ◦ типы МП • Многокристальные (секционные) микро-программируемые МП с изменяемой разрядностью слова и фиксированным набором микроопераций. • Многокристальный биполярный МП основан на конструктивном принципе функционально-разрядного слоя (несколько одинаковых кристаллов) объединяемых микропрограммным блоком. Строение МП • КР580ВМ80А — 8-разрядный микропроцессор, полный аналог микропроцессора Intel i8080А (1974 г.). Процессор содержит 4500 транзисторов штатная тактовая частота КР580ВМ80А — до 2,5 МГц, средняя производительность оценивается на уровне 200..500 тыс. оп/c на частоте 2 МГц ,простых операций типа "регистр - регистр" при длительности цикла 250 нс.. Микропроцессор конструктивно помещен в пластиковый корпус с 40 выводами Состав МПК КР580 В состав базового комплекта серии КР580 входят: 1. КР580ВМ80А – однокристальный 8-разрядный МП; 2. КР580ВВ51А – программируемый последовательный интерфейс; 3. КР580ВВ55А программируемый параллельный интерфейс; 4. КР580ВИ53 – программируемый таймер; 5. КР580ВТ57 – программируемый контроллер ПДП; 6. КР580ВИ59 – программируемый контроллер прерываний; Состав МПК КР580 7 КР580ВВ79 – программируемый контроллер клавиатуры и дисплея 8 КР580ВГ75 – программируемый контроллер ЭЛТ; 9 КР580ГФ24 – генератор тактовых импульсов; 10 КР580ВК28/38 – системный генератор тактовых импульсов; 11 КР580ВА86/87 – шинный формирователь. 12 КР580ИР82/83 – буферный регистр /с инверсией. Состав МПК КР580 • Для формирования управляющих сигналов и буферирования данных в микропроцессорных системах на базе микропроцессора КР580ВМ80А применяются микросхемы КР580ВК28 и КР580ВК38. • Для повышения нагрузочной способности и обмена данных между микропроцессором и системной шиной применяют двунаправленные шинные формирователи КР580ВА86 и КР580ВА87. Состав МПК КР580 • Для связи микропроцессора с системной шиной применяют адресные регистры с повышенной нагрузочной способностью КР580ИР82 и КР580ИР83. • Для синхронизации работы микропроцессорной системы используется микросхема генератора тактовых сигналов КР580ГФ24. Состав МПК КР580 • Микросхема программируемое КР580ВВ55А устройство – ввода- вывода параллельной информации, применяется в качестве элемента ввода-вывода общего назначения, сопрягающего различные типы периферийных устройств с магистралью данных систем обработки информации. Структурная схема микропроцессорной системы на основе микропроцессорного комплекта К580 Структура, организация микро ЭВМ • Микропроцессор является основным компонентом любого микрокомпьютера или микро-ЭВМ. • В основу построения микро-ЭВМ положено три принципа: • Модульность — в языках программирования — принцип, согласно которому логически связанные между собой подпрограммы, переменные и т. д. группируются в отдельные файлы (модули). Структура, организация микро ЭВМ • Магистральность – это способ соединения между различными модулями компьютера, когда входные и выходные устройства модулей соединяются одними и теми же проводами, совокупность которых называется шиной. • Микропрограммируемость – это способ реализации принципа программного управления. Структура, организация микро ЭВМ • Современные ЭВМ могут иметь различную архитектуру, но обязательно содержат в своей структуре следующие элементы: • Арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции. • Устройство управления (УУ), которое организует процесс выполнения программ. • Запоминающее устройство (память) для хранения программ и данных. • Внешние устройства для ввода–вывода информации (ВУ). Принципы фон Неймана • Принцип программного управления обеспечивает автоматизацию процессов вычислений на ЭВМ. • Согласно этому принципу программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Принципы фон Неймана • Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что храниться в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. • Иногда этот принцип называют «принцип хранимой команды» Принципы фон Неймана • Принцип адресности. Структурно основная память пронумерованных ячеек, состоит процессору из в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Это позволяет обращаться к произвольной ячейке (адресу) без просмотра предыдущих. мп Схема синхронизации и начальной установки Структура типового МП Интерфейс МП Шина адреса Шина данных Шина управления ПЗУ ОЗУ ППА ….. ПСА Интерфейс памяти Последовательное УВВ Параллельное УВВ Интерфейс периферийного оборудования Структура типового МП • Шина данных (Data Bus) 8-ми разрядная, т.к. разрядность микропроцессора КР580ВМ80А равна 8-ми (D0-D7). (D0 – младший разряд, D7 – старший разряд, всего 8 разрядов). • Предназначена для передачи данных от микропроцессора к периферийным устройствам, а также в обратном направлении (двунаправленная). Структура типового МП • Шина адреса (Address Bus), 16-ти разрядная (А0-А15), служит для определения адреса (номера) устройства, с которым процессор обменивается информацией в данный момент. Каждому устройству (кроме процессора), каждой ячейке памяти в микропроцессорной системе присваивается собственный адрес. Структура типового МП • Шина управления (Control Bus), постоянной размерности не имеет, состоит из отдельных управляющих сигналов. Каждый из этих сигналов во время обмена информацией имеет свою функцию. • Некоторые сигналы служат для стробирования передаваемых или принимаемых данных , для подтверждения приема, сброса данных, или для сброса всех устройств в исходное состояние Структура типового МП • ОЗУ хранит информацию только при наличии напряжения питания. ОЗУ-это простейший регистр построенный на D – триггерах. • ПЗУ- предназначено для долговременного хранения информации, её нельзя оперативно менять. В ПЗУ информация записывается один раз либо в процессе производства, либо непосредственно перед применением, при помощи специальных программаторов. Структура типового МП • Соединение всего многообразия внешних устройств с шинами МК осуществляется с помощью интерфейсов, которые следует понимать как унифицированное средство объединения различных устройств в единую систему. • ППА –программируемый параллельный адаптер КР580ВВ55. • ПСА – программируемый связной адаптер КР580ВВ51. Структура типового МП • Обмен данными с внешними устройствами осуществляется через порты ввода/вывода. • Для микропроцессора Intel 8080 общее число портов ввода/вывода может составлять 256. • В качестве внешних устройств используются клавиатура, дисплей, принтеры, датчики и т.п. • Микропроцессор Intel 8080A ориентирован на работу с памятью, имеющую байтовую организацию (8 бит). Это значит, что микропроцессор считывает информацию побайтно. • Программа и данные хранятся в памяти в ячейках длиной 1 байт (8 бит); каждая ячейка имеет адрес длиной 2 байта (16 бит). Всего процессор может напрямую обращаться к 64К памяти. Схема подключения выводов микропроцессора КР580ВМ80А и их назначения. Выводы синхронизации: • F1, F2 – выводы двух неперекрывающихся последовательностей синхроимпульсов; • SYNC – выход синхронизации, сигнал определяет начало каждого машинного цикла команды; • RESET – вход сигнала начальной установки процессора. После прекращения действия сигнала программный счетчик устанавливается в нулевое состояние и процессор начинает работать с нулевого адреса. Выводы управления ожиданием: • READY – готово внешнее устройство (READY = 1) или не готово (READY = 0). Синхронизирует обмен информации с внешними устройствами. • WAIT – указывает, что процессор находится в состоянии ожидания (WAIT = 1). Выводы управления памятью: • WR – управление записью в память или во внешние устройства; низкий уровень указывает, что процессор выдал данные на магистраль данных D7-D0. Выводы управления магистралью данных: • DBIN – указывает, что магистраль данных (D7-D0) находится в режиме приема. Используется для управления чтением данных из памяти или внешнего устройства. Выводы управления прерыванием: • INT – запрос прерывания внешним устройством, запрашивающих обмен с процессором в режиме прерывания. • INTE – выход сигнала разрешения прерывания (INTE = 1), указывающего на то, что процессор готов к обмену в режиме прерывания; (INTE = 1 – если готов, INTE = 0 – если не готов). Выводы управления захватом магистралей в режиме ПДП: • HLD – вход запроса захвата магистралей D7-D0 и магистрали адреса А15-А0 внешними устройствами. Процессор переходит в режим ЗАХВАТ и отключает магистрали D7-D0 и А15-А0 (переходит в высокоимпедансное состояние). • HLDA – выход подтверждения захвата. Указывает, что процессор находится в состоянии ЗАХВАТ. Магистрали данных и адреса при этом отключены от выводов. Командный цикл микропроцессора • Выполнение команд в МП осуществляется в строго определенной последовательности обусловленной рядом факторов, в том числе используемыми синхросигналами . В основе работы МП лежит командный цикл - действия по выбору из памяти и выполнению одной команды. В зависимости от типа и формата команды, способов адресации и числа операндов командный цикл может включать в себя различное число обращений к памяти и ВУ и следовательно - иметь различную длительность. • Для реализации команды i8080 может потребоваться от 1 до 5 обращений к памяти (ВУ). Хотя обращения к ЗУ/ВУ располагаются в разных частях КЦ, выполняются они по единым правилам, соответствующим интерфейсу МПС и реализованы на общем оборудовании управляющего автомата. • Действия МПС по передаче в/из МП одного байта данных/команды называются машинным циклом. Машинные циклы и их идентификация • Командный цикл представляет собой последовательность машинных циклов (МЦ), причем КЦ i8080 может содержать от 1 до 5 МЦ. • МЦ – время требуемое для извлечения одного байта информации из памяти (ОЗУ, ПЗУ) или выполнения однобайтовой команды. • МЦ может состоять из нескольких машинных тактов. • Машинный такт (Т) – это период синхросигналов. Его длительность может быть установлена в некоторых пределах. В МП КР580 длительность может быть установлена произвольно в диапазоне 0,5…2 мкс (при тактовой частоте 2 МГц) • МЦ микропроцессора i8080 предусматривает возможность обмена как в синхронном, так и в асинхронном режиме. • Если в составе МПС использованы только "быстрые" устройства, т.е. такие, которые могут работать с тактовой частотой МП, то передача информации в МЦ осуществляется в синхронном режиме. • При работе с "медленными" устройствами, быстродействие которых не позволяет переключаться с частотой тактового генератора МП, необходимо "растянуть" во времени МЦ, реализовав асинхронный принцип обмена. При реализации одного МЦ процессор может: • принять из памяти байт команды; • принять из памяти байт данных; • принять из УВв байт данных; • принять из стека байт данных; • принять вектор прерывания; • выдать в память байт данных; • выдать в стек байт данных; • выдать на УВыв байт данных. Принципы программирования микропроцессоров. • Все языки программирования условно можно разделить на три уровня: • машинный код; • автокод (язык ассемблера); • языки высокого уровня (процедурные языки - BASIC, FORTRAN, PASCAL, C, MODULA-2, ADA; и языки искусственного интеллекта - LISP, PROLOG, SMALLTALK, OCCAM). Ассемблерная мнемоника • Язык ассемблера - это символическое представление машинного языка. Все процессы в машине на самом низком, аппаратном уровне приводятся в действие только командами (инструкциями) машинного языка. Ассемблерная мнемоника • Программа на ассемблере представляет собой совокупность блоков памяти, называемыхсегментамипамяти. Программа может состоять из одного или нескольких таких блоков-сегментов. Каждый сегмент содержит совокупность предложений языка, каждое из которых занимает отдельную строку кода программы. Структурная схема микропроцессора КР580ВМ80А (i8080А) Е1 Е2 ВЕЗЕТ Схема управления • синхронизации {СУиСс) КЕАБУ НО ТМТ Внутренняя магистраль данных(8) АЛУ АСДК ВР(8) ВА А(8) • Микропроцессор КР580ВМ80А реализован на основе общей внутренней магистрали данных и включает в себя следующие функциональные узлы: блок регистров с адреснойлогикой;блокАЛУ; двунаправленную буферизованную магистраль данных; блок управления и синхронизации. Блок регистров • Содержит шесть 16-ти битовых регистров, образующих статическую память с произвольным доступом (регистр – пространство из восьми бит, схема или устройство хранения информации). • Три из них могут использоваться как шесть отдельных 8-ми разрядных программно-доступных регистров B, C, D, E, H, L общего назначения для хранения операндов или как три 16-ти разрядных программно-доступных пары BC, DE, HL для хранения адресов или двухбайтовых операндов. • При выполнении арифметических и логических операций с регистровой адресацией в регистрах хранятся 8-ми разрядные операнды, которые передаются в АЛУ для участия в операции. Второй операнд и результат операции хранятся в блоке АЛУ. • Содержимое каждого из регистров можно переслать в блок АЛУ или в память через 8-ми битовые мультиплексоры (МП) и внутреннюю магистраль данных. Регистр-счетчик (РС) • Используется в качестве программного счетчика и хранит адрес текущей команды программы. • Его содержимое автоматически увеличивается после выборки каждого байта команды схемой адресной логики. • Загрузка и выдача содержимого РС осуществляется через мультиплексоры и внутреннюю магистраль данных. Указатель стека (SP) • SP хранит адрес ячейки стековой области памяти, к которой было сделано последнее обращение. • Содержимое SP уменьшается на 1 перед каждым занесением слова в стек или увеличивается на 1 после каждого извлечения из стека. Пара регистров W и Z • Это 8-разрядные регистры. Они недоступны программисту. Используются для запоминания двухбайтовых и трёхбайтовых команд перехода, передаваемых с внутренней магистрали данных в счётчик команд. Адресная логика • предназначена для хранения, программного изменения и выдачи на магистраль А15-А0 адресов данных и команду. • Она содержит буферный регистр адреса (БРА), логическую схему инкремента-декремента (СИД) и адресный буфер. • Буферный регистр адреса принимает и хранит адрес с любого 16-ти разрядного регистра. Его выход связан со входами СИД и БРА. Инкремент-декремент • С помощью схемы инкремента-декремента (СИД) можно содержимое БРА передать с изменением на +1 или –1, или без изменения через 16-ти разрядный мультиплексор на вход любой пары регистров BC, DE, HL, SP или PC. Блок АЛУ. • Предназначен для выполнения арифметических и логических операций над числами в параллельном 8-ми разрядном двоичном коде. • Информация обрабатывается в АЛУ с использованием регистра временного хранения (ВР), аккумулятора временного хранения (ВА), аккумулятора (А) и регистра признаков F. Блок АЛУ. • При выполнении бинарных операций один из операндов пересылается из аккумулятора в регистр ВА; второй – поступает из памяти или блока регистров через внутреннюю магистраль данных в регистр ВР, а затем передается в АЛУ через кодопреобразователь в прямом или обратном коде в зависимости от выполняемой операции. • Результат операции передается через внутреннюю магистраль в аккумулятор или регистр общего назначения, а признаки результата записываются в регистр признаков F. Регистр флагов F • 8 разрядный регистр, содержащий информацию о текущем состоянии микропроцессора. • Имеет пять однобитовых флагов состояния, которые индицируют результаты выполнения арифметических и логических операций. В зависимости от состояния этих флагов некоторые машинные команды могут изменять последовательность выполнения команд в программе. D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 S Z - AC - P 1 CY Двунаправленная магистраль данных • Служит для организации связи микропроцессора с другими микросхемами, входящими в состав микро-ЭВМ. • Она включает в себя внутреннюю магистраль данных, буфер данных (БД) и соединена с выводами магистрали данных D7-D0 микропроцессора. • Буфер данных – 8-ми разрядный двунаправленный с тремя состояниями – предназначен для развязки внутренней и внешней магистрали данных. Он состоит из буферного регистра данных и формирователей. Двунаправленная магистраль данных • В режиме вывода информация с внутренней магистрали загружается в буферный регистр, а затем передается на внешнюю магистраль данных через формирователи. • При вводе данные из внешней магистрали через формирователи непосредственно передаются на внутреннюю магистраль. Буферный регистр данных при этом отключается. Он отключается также при выполнении операций, не связанных с передачей информации процессором. Блок управления и синхронизации • Предназначен для приема команд, синхронизирующих и управляющих внешних сигналов, а также для формирования внутренних сигналов микроопераций и внешних синхронизирующих и управляющих сигналов. • Он содержит регистр команд (РК), дешифратор команд (ДшК), схемы формирования машинных циклов и другие устройства.